麻省理工学院的工程师和生物学家通过合作，设计出一种“活性材料”——植入了活细胞的水凝胶片，这种水凝胶片质地坚韧、富有弹性且具有生物相容性，植入的细胞经基因修饰，当遇到特定的化学物质时会发光，这种材料作为新型传感器，在监测环境或人体中的化学物质方面有巨大的应用潜力。研究成果发表在近期的《美国国家科学院院刊》（PNAS）。

（1）制造具有“生命”的活性材料难题

研究人员通过对活细胞（如大肠杆菌）内的生物质进行基因重组，使其能像电路中的逻辑功能一样有序地发挥作用。利用此方法，研究者可以重新设计细胞以执行特定功能，例如感知病毒和毒素的存在并发出信号。然而，这些新的转基因细胞大多仅能在培养皿中存活，需要小心地控制培养皿中保持细胞活性所需的各种营养水平，而这种环境条件想要复制到合成材料中是极为困难的。

制造活性材料所面临的首要挑战是，一是如何培养这些活细胞，使它们能存活下来并执行一定的功能。培养细胞需要湿度、营养，一些还需要氧气；二是如何防止它们从材料中流失。为了应对这些挑战，研究人员通常使用来自基因工程细胞冷冻干燥后的化学提取物，将它们结合到纸上，制成低成本病毒检测诊断试纸。然而，提取物不像活细胞那样，可以在较长时间内保持其功能，并且在检测病原体时有更高的的灵敏度。此外，有的研究者尝试将心肌细胞接种到橡胶薄膜上以制造柔性的、“活的”执行器或机器人。然而，当经过反复弯曲后，这些膜材料可能发生破裂，从而导致活细胞的泄漏。

（2）充满生机的细胞宿主

MIT的活性软材料实验室开发了一种新型水凝胶，这是一种由聚合物和水混合构成的高韧性、高弹性的生物相容性材料，可能是宿主活细胞的理想选择。过去几年里，该团队已经提出了多种水凝胶配方，在他们最新的设计中，水凝胶含水量高达95%。该材料甚至在反复拉伸后也不易开裂，这一特征非常有利于容纳活性细胞。

研究团队最终成功将基因重组细菌细胞融入到水凝胶片材料中，他们首先使用3D打印技术做出水凝胶层，然后利用微成型技术在水凝胶层上做出特定图案的窄通道。随后，将水凝胶结合到弹性体层或橡胶层上，所述弹性体或橡胶必须有足够的孔隙率，以保证氧气能够进入。最后，他们将大肠杆菌细胞注入水凝胶的通道中。当某些化学物质透过水凝胶与细胞接触时，细胞会按设计的基因功能发出荧光或发亮。这种情况下产生一种叫做DAPG的物质。然后，研究人员将水凝胶/弹性体材料浸泡在营养液中，使水凝胶注满营养成分，从而保证其中的细菌细胞可存活数日。

为了证明该材料的潜在用途，研究人员首先制造了一片具有四个独立窄通道的材料，每个通道包含一种细菌，每种细菌被设计成可响应不同的化学物质，并会发出绿光。结果毫无疑问，四个通道在暴露于各细菌对应的化学物质时都成功点亮。接下来，团队将材料制成绷带或“活性贴”，其中图案化的通道中含有对鼠李糖（天然存在的糖）敏感的细菌。研究人员用浸泡了鼠李糖的棉球擦拭志愿者的手腕，然后贴上水凝胶贴片，“活性贴”一经与皮肤接触就做出响应，开始发光。

该团队还开发了一个理论模型，以帮助指导他人设计类似的活性材料和装置。研究人员表示，理论模型能帮助我们更有效地设计出活性装置。它会告诉你水凝胶层应该有多厚，通道之间的距离是多少，如何做通道图案以及使用多少细菌等信息。

该团队利用植入细胞的水凝胶制作了多种可穿戴传感器，包括一只橡胶手套，并在指尖设计了漩涡状通道，每个通道填充响应不同化学物质的细菌细胞。每个指尖在捏取浸有不同化合物的棉球时，都对应地做出了响应，发出辉光。当指尖触摸受化学物质污染的表面时，会发出光泽。还制作了一种绷带，当贴在沾有化学物质的人体皮肤上时，会变得闪闪发亮。

这种新型活性材料在检测化学物质和污染物方面有广阔的应用空间。例如，从犯罪现场调查到法医科学，从污染监测到医疗诊断等领域。通过这种设计，人们可以在装置中放入不同类型的细菌，以指示环境中的毒素或皮肤上的疾病。

文章链接：

Xinyue Liu, et al, "Stretchable living materials and devices with hydrogel–elastomer hybrids hosting programmed cells," PNAS, 2017, 114(9):2200–2205, doi: 10.1073/pnas.1618307114

（本文来源：中国船舶工业综合技术经济研究院 志伟）

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